專利名稱：一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明屬于磁場控制焊接技術領域，具體涉及一種用外加磁場輔助熔化極氣體保 護焊的裝置和方法。
背景技術：
短路過渡焊接工藝是熔化極氣體保護焊的一個重要的工藝方法，具有低的熱輸入 量、變形小、適于全位置焊接和便于實現自動化等特點。而常規(guī)的熔化極氣體保護焊短路過 渡工藝的電弧穩(wěn)定性差、焊縫成型欠佳、飛濺較大的缺點也阻礙其廣泛應用。究其原因，主 要是短路過渡焊接時，熔滴過渡是一個隨機過程，從而造成短路時間、燃弧時間在一定范圍 內波動，這種波動便引起焊接過程的不穩(wěn)定，造成焊接質量的差異；同時在短路初期電磁力 排斥造成瞬時短路飛濺，特別是短路末期電流急劇增大，產生的電磁力促使液橋爆斷造成 電爆炸飛濺等因素惡化了焊接過程。為改善短路過渡焊接工藝的上述缺點，焊接工作者進行了許多研究。傳統上是從 保護氣體、焊接材料、增加電抗器等方面改善，其控制效果有限；近年來發(fā)展較快的是波形 控制法和波形控制聯合機械控制等方法。前者典型的案例是林肯公司的“表面張力過渡 (STT) ”，而冷金屬過渡(CMT)是后者的一個較為典型的控制方法。STT法中，熔化的熔滴在 電磁收縮力和表面張力的作用下實現了無飛濺過渡，具有焊接飛濺小和煙塵小、焊縫成形 規(guī)則等優(yōu)點，但其缺點也顯而易見，主要是適用電流范圍窄，控制復雜，信號易受干擾。CMT 法將波形控制和焊絲的機械回抽結合起來，整個焊接過程實現了 “熱-冷-熱”交替循環(huán)， 每秒鐘轉換達70次，焊接熱輸入大幅降低，特別適于焊接薄板和超薄板的無飛濺熔焊和釬 焊，但CMT的控制也是相當復雜，成本較高，使其推廣受限。通過大量的實驗表明，當在短路過渡焊接中施加合適的橫向脈沖磁場時，可以影 響熔滴短路過渡過程，使短路過渡所固有的過渡頻率不均勻性得到顯著改善，并減少焊接 飛濺，從而提高焊縫表面質量，改善短路過渡焊接工藝。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有常規(guī)熔化極氣體保護焊短路過渡工藝的上述缺點，并 與現有的波形控制法，CMT法等方法采用不同的控制思路，應用磁場技術改善傳統短路過渡 焊接工藝，具體通過外加輔助磁場即一橫向脈沖磁場作用于熔化極氣體保護焊短路過渡焊 接中，設計了磁場施加方式和磁場作用于短路過渡的控制方式。裝置和控制方法簡單有效。 通過本裝置和控制方法，能夠降低飛濺，提高短路過渡頻率的規(guī)則性和電弧的穩(wěn)定性，從而 改善短路過渡焊接工藝。為實現上述目的，本發(fā)明采取了如下的技術方案—種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，包括焊接電源9、送絲馬達5、焊 絲6、導電嘴7、保護氣瓶8、焊接工件10的常規(guī)熔化極氣體保護焊必備設備，還包括短路過 渡檢測電路4、激磁驅動電路3、激磁主電路2和磁頭裝置1 ；焊接電源的9的正極與導電嘴連接，負極與焊接工件10相連，同時分別從焊接電源9的正極和負極引出兩根線與短路過 渡檢測電路4的輸入端相連，短路過渡檢測電路4的輸出部分與激磁驅動電路3的輸入端 相連，激磁驅動電路3的輸出與激磁主電路2的輸入端相連，激磁主電路2輸出端與磁頭裝 置1相連。激磁主電路2包含調壓器、整流橋、功率電子開關器件以及儲能原件；220V交流電 接入調壓器，調壓器的輸出接整流橋，整流橋的輸出端正負極并聯儲能元件，同時將功率電 子開關的發(fā)射極與整流橋的負極相連；激磁主電路2的輸出為整流橋的正極和功率電子開 關的集電極；激磁主電路2通過調壓器調節(jié)激磁電壓的大小。功率電子開關器件是IGBT、 GTR或M0SFET，儲能元件是電容。短路過渡檢測電路4由光電耦合器和電壓比較電路組成；短路過渡檢測電路4的 輸入為導電嘴7和焊接工件10之間的電弧電壓信號，此信號經過光電耦合器隔離后接入電 壓比較器的同相輸入端，通過調節(jié)電壓比較器的反相輸入端的參考電壓值，短路過渡檢測 電路4輸出以高電平或低電平標識的短路起始時刻信號。激磁驅動電路3由MCU控制電路、光耦隔離電路和功率放大電路組成；激磁驅動電 路3以短路過渡檢測電路4的輸出作為輸入信號，通過MCU控制電路后，在短路起始時刻輸 出寬度可調的驅動脈沖，此驅動脈沖再經光耦隔離電路和功率放大電路后產生能夠觸發(fā)激 磁主電路2中的功率開關器件的驅動信號，其中的驅動脈沖寬度t。n可調，其值為具體焊接 規(guī)范參數下短路時間的統計平均值。磁頭裝置1的兩端分別與激磁主電路2中的整流橋的正極和功率電子開關的集電 極相連。磁頭裝置1由漆包銅線緊密纏繞成圓柱形螺線管樣式，為增強磁感應強度，在繞 制的螺線管中間插入鐵芯。磁頭裝置1中螺線管的軸線與焊絲的軸線及焊接方向垂直放置；螺線管的軸線延 長線應與焊接時短路液橋的縮頸水平對齊，螺線管的端面或螺線管中間插入的鐵芯端面與 焊絲的距離可調。磁頭裝置1線圈的通斷由激磁主電路2中功率電子開關的通斷控制，磁頭裝置1 所產生的磁場形式為垂直于焊絲軸線方向的橫向的脈沖磁場。一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的方法，步驟如下①焊接時，短路過渡檢測電路4采集導電嘴7和焊接工件10之間的電弧電壓信 號，每當熔滴與熔池剛一接觸短路，短路過渡檢測電路4輸出以高電平或低電平標識的短 路起始時刻的信號；②短路過渡檢測電路4輸出的短路起始時刻的信號輸入激磁驅動電路3，激磁驅 動電路3以上述高電平或低電平為觸發(fā)時刻，產生能夠觸發(fā)功率開關器件的驅動信號；③上述驅動信號輸入到激磁主電路2中功率電子開關器件的門極，在設定一定的 激磁電壓的情況下，驅動激磁主電路2中的功率電子開關器件導通和關斷，使得磁頭裝置1 產生橫向脈沖磁場作用于短路液橋。本發(fā)明的工作原理電爆炸飛濺是引起熔化極氣體保護焊短路過渡焊接飛濺的一 種主要形式，而電爆炸飛濺主要是由于短路過渡末期，隨著短路液橋縮頸的不斷變細，電流 密度急劇增大，相應變得很大電磁力促使液橋爆斷造成的。
實施本發(fā)明進行短路過渡焊接時，在熔滴短路液橋形成階段，施加一 “輔助磁場”， 即(1)該輔助磁場作用于短路液縮頸處，如圖6所示；(2)輔助磁場起始作用時刻為熔滴剛與熔池接觸短路時刻，磁場波形為垂直于焊 接方向和焊絲軸線的脈沖橫向磁場，磁場波形如圖5(d)所示；(3)此脈沖磁場的持續(xù)時間(即控制磁場線圈通斷的IGBT的導通時間t。n(驅動 脈沖寬度)為一固定值，該值為一定的短路過渡焊接規(guī)范下的短路時間的統計平均值。當按照本發(fā)明的配置進行焊接時，短路液橋受到的洛侖茲力可表述為(該力方向 如圖6所示)Fm = JXB式中Fm——洛侖茲力(N/m3)；J—電流密度(A/m2)；B——磁感應強度(Wb/m2)。實施本發(fā)明后的輔助電磁力主要有以下幾方面的優(yōu)點(1)在短路末期，使即將崩斷的、處于壓縮不穩(wěn)定的縮頸在輔助電磁力的擾動下發(fā) 生崩斷。(2)在輔助電磁力的擾動下縮頸發(fā)生崩斷的時刻，先于常規(guī)短路縮頸爆斷之時。即 在輔助電磁力作用下的崩斷是在比常規(guī)短路液橋崩斷所需的較小的電流下發(fā)生。這樣就降 低了短路的峰值電流，液橋能在較柔順的狀態(tài)下破斷并過渡到熔池，從而在一定程度上抑 制了較大的峰值電流引起的電爆炸飛濺。(3)該輔助電磁力以能夠降低短路周期標準差，提高短路過程均勻性和穩(wěn)定性。(4)本發(fā)明裝置和方法簡單有效，顯著改善常規(guī)的短路過渡焊接工藝。


圖1本發(fā)明的原理圖。圖2本發(fā)明的短路過渡檢測電路原理圖。圖3本發(fā)明的激磁驅動電路原理圖。圖4本發(fā)明激磁主電路原理5在實施本發(fā)明下短路過渡焊接時各主要功能模塊的波形示意圖。圖5(a)為 輸入到短路過渡檢測電路4的短路過渡電弧電壓波形；圖5(b)為短路過渡檢測電路4的輸 出并作為激磁驅動電路3的輸入的短路時刻檢測信號；圖5(c)為激磁驅動電路3輸出的用 于驅動激磁主電路2中的功率模塊的驅動信號示意圖；圖5(d)為磁頭裝置1的磁頭輸出的 磁感應強度B的波形示意圖。圖6在實施本發(fā)明下短路過渡焊接時短路液橋所受的輔助電磁力詳細原理圖。圖7為常規(guī)短路過渡焊接時(未施加磁場)采集到的焊接電流和電弧電壓波形， 圖7(a)為總體波形特征；圖7(b)為局部波形詳圖。圖8為實施本發(fā)明后采集到的焊接電流和電弧電壓波形，圖8(a)為總體波形特 征；圖8(b)為局部波形詳圖。圖9為Ar+20% CO2條件下未施加輔助磁場和施加激磁電壓55V的輔助磁場后的瞬時I-U圖的對比。
具體實施例方式本發(fā)明的具體實施方式
參見圖1-圖4，本實施例包括焊接電源9、送絲馬達5、焊絲 6、導電嘴7、保護氣瓶8、焊接工件10的常規(guī)熔化極氣體保護焊必備設備，還包括短路過渡 檢測電路4、激磁驅動電路3、激磁主電路2和磁頭裝置1 ；焊接電源的9的正極與導電嘴連 接，負極與焊接工件10相連，同時分別從焊接電源9的正極和負極引出兩根線與短路過渡 檢測電路4的輸入端相連，短路過渡檢測電路4的輸出部分與激磁驅動電路3的輸入端相 連，激磁驅動電路3的輸出與激磁主電路2的輸入端相連，激磁主電路2輸出端與磁頭裝置 1相連。激磁主電路2包含調壓器、整流橋、功率電子開關器件以及儲能原件。220V交流電 接入調壓器，調壓器的輸出接整流橋，整流橋的輸出端正負極并聯儲能元件，同時將功率電 子開關的發(fā)射極與整流橋的負極相連。激磁主電路2的輸出為整流橋的正極和功率電子開 關的集電極。激磁主電路2通過調壓器調節(jié)激磁電壓的大小，如圖4所示。本實施例中調 整激磁電壓大小為55V。功率電子開關器件選擇IGBT，儲能元件選擇電容。短路過渡檢測電路4由光電耦合器和電壓比較電路組成。短路過渡檢測電路4的 輸入為導電嘴7和焊接工件10之間的電弧電壓信號，此信號經過光電耦合器隔離后接入電 壓比較器的同相輸入端，通過調節(jié)電壓比較器的反相輸入端的參考電壓值，短路過渡檢測 電路4輸出以高電平或低電平標識的短路起始時刻信號，如圖5(b)所示。激磁驅動電路3由MCU控制電路、光耦隔離電路和功率放大電路三部分組成，其中 MCU控制電路選用AtmelMEGA16。激磁驅動電路3以短路過渡檢測電路4的輸出作為輸入 信號，通過MCU控制電路后，在短路起始時刻輸出寬度可調的驅動脈沖，此驅動脈沖再經光 耦隔離電路和功率放大電路后產生能夠觸發(fā)激磁主電路2中的功率開關器件的驅動信號。 其中的驅動脈沖寬度t。n可調，其值為具體焊接規(guī)范參數下短路時間的統計平均值。本實施 例中根據所使用的焊接參數，取t。n為:3ms。激磁驅動電路3的構成如圖3所示。磁頭裝置1的兩端分別與激磁主電路2中的整流橋的正極和功率電子開關的集電 極相連。磁頭裝置1由漆包銅線緊密纏繞成圓柱形螺線管樣式，為增強磁感應強度，在繞制 的螺線管中間插入鐵芯。磁頭裝置1中螺線管的軸線與焊絲的軸線和焊接方向垂直放置。 螺線管的軸線延長線與焊接時短路液橋的縮頸部位水平對齊，螺線管的端面或螺線管中間 插入的鐵芯端面與焊絲的距離可調，本實施例中設置此距離為20mm。磁頭裝置1線圈的通 斷由激磁主電路2中功率電子開關的通斷控制，磁頭裝置1所產生的磁場形式為垂直于焊 絲軸線方向的橫向的脈沖磁場。采用本發(fā)明裝置進行熔化極氣體保護焊短路過渡焊接時的方法如下①焊接時，短路過渡檢測電路4采集導電嘴7和焊接工件10之間的電弧電壓信 號，每當熔滴與熔池剛一接觸短路，短路過渡檢測電路4輸出以高電平或低電平標識的短 路起始時刻的信號。②短路過渡檢測電路4輸出的短路起始時刻的信號輸入激磁驅動電路3，激磁驅 動電路3以上述高電平或低電平為觸發(fā)時刻，產生能夠觸發(fā)功率開關器件的驅動信號。③上述驅動信號輸入到激磁主電路2中功率電子開關器件的門極，在設定一定的激磁電壓的情況下，驅動激磁主電路2中的功率電子開關器件導通和關斷，使得磁頭裝置1 產生橫向脈沖磁場作用于短路液橋。本實施例所使用的焊接規(guī)范為保護氣Ar+20% CO2 ；保護氣流量15L/min ；輝接 材料ER50-S，母材Q2!35，焊絲干伸長20mm;焊接電源Kemppi Χ Μ500 ；送絲速度2.0m/ min (焊接電流為90A)，電弧電壓17. 6V。實驗結果及分析實施本發(fā)明并進行短路過渡焊接時，采用示波器或漢諾威弧焊質量分析儀采集電 弧電壓和焊接電流信號。從采集到的焊接電弧電壓和焊接電流波形的時間特性上來看施加 輔助脈沖橫向磁場后的效果未施加磁場焊接時采集的焊接電流和電弧電壓波形總體波形 特征和局部波形如圖7(a) (b)所示，當采用本發(fā)明裝置且施加的脈沖橫向磁場的激磁電壓 為55V時(磁感應強度B = 40 左右)時，采集到的焊接電流和電弧電壓波形總體特征和 局部波形如圖8(a) (b)所示，施加本發(fā)明裝置前后短路過渡穩(wěn)定性的對比可通過瞬時I-U 圖來分析(圖9所示)，由圖9可以看出當施加輔助磁場后，電流和電弧電壓的窗口面積減 小，且ABCD四段線簇的分布較正常焊接時更加集中，說明了在本發(fā)明下的熔滴過渡更為均 勻，焊接過程更為穩(wěn)定。通過漢諾威弧焊質量分析儀統計的數據顯示，當實施本發(fā)明后焊 接電流平均值從未加磁場正常焊接的92. 7A降低為83. 6A。且短路時峰值大電流的概率和 Σ n(Is)由未加磁場前的11. 0904%，變?yōu)槭┘蛹ご烹妷?5V的輔助磁場后的5. 7621%，從 而有效的抑制了短路末期的峰值電流，降低了飛濺率，實測飛濺率由4. 6%降低為2. 9%。 實施本發(fā)明后焊縫紋理更為細膩，外觀質量與未加磁場正常焊接時相比更為良好。
權利要求
1.一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，包括焊接電源(9)、送絲馬達(5)、 焊絲(6)、導電嘴(7)、保護氣瓶(8)、焊接工件(10)的常規(guī)熔化極氣體保護焊必備設備，其 特征在于還包括短路過渡檢測電路G)、激磁驅動電路(3)、激磁主電路(2)和磁頭裝置 (1)；焊接電源的(9)的正極與導電嘴連接，負極與焊接工件(10)相連，同時分別從焊接電 源(9)的正極和負極引出兩根線與短路過渡檢測電路的輸入端相連，短路過渡檢測電 路的輸出部分與激磁驅動電路(3)的輸入端相連，激磁驅動電路(3)的輸出與激磁主 電路⑵的輸入端相連，激磁主電路⑵輸出端與磁頭裝置⑴相連。
2.根據權利要求1所述的一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，其特征在 于激磁主電路(2)包含調壓器、整流橋、功率電子開關器件以及儲能原件；220V交流電接 入調壓器，調壓器的輸出接整流橋，整流橋的輸出端正負極并聯儲能元件，同時將功率電子 開關的發(fā)射極與整流橋的負極相連；激磁主電路O)的輸出為整流橋的正極和功率電子開 關的集電極；激磁主電路( 通過調壓器調節(jié)激磁電壓的大小。
3.根據權利要求2所述的一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，其特征在 于功率電子開關器件是IGBT、GTR或M0SFET，儲能元件是電容。
4.根據權利要求1所述的一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，其特征在 于短路過渡檢測電路由光電耦合器和電壓比較電路組成；短路過渡檢測電路⑷的 輸入為導電嘴(7)和焊接工件(10)之間的電弧電壓信號，此信號經過光電耦合器隔離后接 入電壓比較器的同相輸入端，通過調節(jié)電壓比較器的反相輸入端的參考電壓值，短路過渡 檢測電路(4)輸出以高電平或低電平標識的短路起始時刻信號。
5.根據權利要求1所述的一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，其特征在 于激磁驅動電路(3)由MCU控制電路、光耦隔離電路和功率放大電路組成；激磁驅動電路 (3)以短路過渡檢測電路(4)的輸出作為輸入信號，通過MCU控制電路后，在短路起始時刻 輸出寬度可調的驅動脈沖，此驅動脈沖再經光耦隔離電路和功率放大電路后產生能夠觸發(fā) 激磁 主電路O)中的功率開關器件的驅動信號；其中的驅動脈沖寬度t。n可調，其值為具體 焊接規(guī)范參數下短路時間的統計平均值。
6.根據權利要求1所述的一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，其特征在 于磁頭裝置⑴的兩端分別與激磁主電路⑵中的整流橋的正極和功率電子開關的集電 極相連。
7.根據權利要求1所述的一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，其特征在 于磁頭裝置(1)由漆包銅線緊密纏繞成圓柱形螺線管樣式，為增強磁感應強度，在繞制的 螺線管中間插入鐵芯。
8.根據權利要求7所述的一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，其特征在 于磁頭裝置(1)中螺線管的軸線與焊絲的軸線及焊接方向垂直放置；螺線管的軸線延長 線應與焊接時短路液橋的縮頸水平對齊，螺線管的端面或螺線管中間插入的鐵芯端面與焊 絲的距離可調。
9.根據權利要求1所述的一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置，其特征在于 磁頭裝置(1)線圈的通斷由激磁主電路O)中功率電子開關的通斷控制，磁頭裝置(1)所 產生的磁場形式為垂直于焊絲軸線方向的橫向的脈沖磁場。
10.一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的方法，步驟如下①焊接時，短路過渡檢測電路⑷采集導電嘴(7)和焊接工件(10)之間的電弧電壓信 號，每當熔滴與熔池剛一接觸短路，短路過渡檢測電路(4)輸出以高電平或低電平標識的 短路起始時刻的信號；②短路過渡檢測電路(4)輸出的短路起始時刻的信號輸入激磁驅動電路(3)，激磁驅 動電路(3)以上述高電平或低電平為觸發(fā)時刻，產生能夠觸發(fā)功率開關器件的驅動信號；③上述驅動信號輸入到激磁主電路O)中功率電子開關器件的門極，在設定一定的激 磁電壓的情況下，驅動激磁主電路O)中的功率電子開關器件導通和關斷，使得磁頭裝置 (1)產生橫向脈沖磁場作用于短路液橋。
全文摘要
本發(fā)明是一種用外加磁場輔助熔化極氣體保護焊的裝置和方法，屬于磁場作用焊接技術領域。本裝置包括常規(guī)熔化極氣體保護焊必備設備和短路過渡檢測電路、激磁驅動電路、激磁主電路、磁頭裝置。本發(fā)明在熔滴短路時刻能夠產生一垂直于焊絲軸線的橫向脈沖磁場作用于短路液橋，促進短路液橋提前破斷，比常規(guī)方法減小了短路時刻的峰值電流，降低電爆炸飛濺并能提高短路過渡焊接時短路周期的規(guī)則性。本發(fā)明制作簡單，明顯改善了短路過渡的焊接工藝。
文檔編號B23K9/173GK102133679SQ20111003235
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月29日 優(yōu)先權日2011年1月29日
發(fā)明者于洋, 劉長輝, 陳樹君 申請人:北京工業(yè)大學